SB_12.771B_Leseprobe

2003
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Entwicklung auf
Wärmedurchgang optimierter
Schichtsysteme für
tribologisch hoch
beanspruchte Bauteile

Entwicklung auf
Wärmedurchgang optimierter
Schichtsysteme für tribologisch
hoch beanspruchte Bauteile
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 12.771 B
DVS-Nr.: 02.031
Lehrstuhl für Verbundwerkstoffe
TU Chemnitz
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 12.771 B / DVS-Nr.: 02.031 der Forschungsvereinigung Schweißen und
verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf, wurde über die AiF im
Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen
Bundestages gefördert.

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unter: http://dnb.dnb.de
© 2009 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 29
Bestell-Nr.: 170138
ISBN: 978-3-96870-028-1
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-hg.de
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„Wärmedurchgang durch optimierte Schichtsysteme“
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung …………………………………………………………………………...... 1
2 Problemstellung …………………………………………………………………..… 2
2.1 Motivation ………………………………………….……………………………… 2
2.2 Zielstellung ………………………………………….……………………………... 2
3 Stand der Wissenschaft und Technik …………………………………………. 4
3.1 Thermische Spritzverfahren ……………………………………………………… 4
3.1.1 Lichtbogenspritzen …………………………………………………………… 5
3.1.2 Atmosphärisches Plasmaspritzen (APS) ……………………………………… 6
3.1.3 Hochgeschwindigkeitsflammspritzen ………………………………………… 7
3.1.4 Hochgeschwindigkeitsdrahtflammspritzen …………………………………… 8
3.2 Industrielle Anwendung …………………………………………………………... 9
3.2.1 Anwendung in der Papierindustrie ……………………………………………. 11
3.3 Verwendete Spritzzusatzwerkstoffe …………………………………………….... 12
3.3.1 WC-CoCr ……………………………………………………………………... 12
3.3.2 Cr 3 C 2 -Ni20Cr …………………………………………………………………. 13
3.3.3 Ni20Cr und Ni5Al …………………………………………………………..... 13
3.3.4 316 L ……………………………………………………………………….…. 13
3.3.5 Cr 2 O 3 ……………………………………………………………………….…. 13
3.3.6 Hartchrom …………………………………………………………………….. 13
3.4 Untersuchungen zu thermischen Eigenschaften von Spritzschichten …………. 14
4 Durchführung der Untersuchungen …………………………………………… 16
4.1 Versuchsplanung ……………………………………………………………….…. 16
4.2 Versuchsdurchführung …………………………………………………………… 18
4.2.1 Untersuchung der Spritzzusatzwerkstoffe und Substrate ………………….…. 18
4.2.2 Herstellung der Proben ……………………………………………………….. 19
4.2.3 Untersuchung der Spritzschichten ……………………………………………. 23
4.2.3.1 Gefüge, Struktur und Vickershärte …………………………………… 24
4.2.3.2 Verschleißverhalten der Spritzschichten ……………………………... 25
4.2.3.3 Korrosionsbeständigkeit der Spritzschichten ………………………… 28
4.2.3.4 Thermische Eigenschaften der Spritzschichten ………………..…..… 29
V

„Wärmedurchgang durch optimierte Schichtsysteme“
5 Ergebnisse und Diskussion ………………………………………………………. 35
5.1 Charakterisierung der Spritzzusatzwerkstoffe und Substrate ………………… 35
5.1.1 Charakterisierung der Spritzzusatzwerkstoffe ……………………………….. 35
5.1.2 Charakterisierung der Substratwerkstoffe ……………………………………. 45
5.2 Charakterisierung der Spritzschichten ………………………………………….. 49
5.2.1 WC-CoCr ………………………………………………………………….…. 49
5.2.2 WC-Co 88-12 …………………………………………………………………. 59
5.2.3 75Cr 3 C 2 -25NiCr (mit und ohne Haftgrund aus Ni20Cr) …………………..… 60
5.2.4 Ni20Cr ……………………………………………………………………….. 61
5.2.5 Ni5Al …………………………………………………………………………. 62
5.2.6 Rostfreier Stahl 316 L ………………………………………………………… 64
5.2.7 Chromoxid Cr 2 O 3 …………………………………………………………….. 65
5.2.8 Hartchrom ……………………………………………………………………. 65
5.3 Verschleißverhalten der Spritzschichten ………………………………………… 67
5.3.1 WC-CoCr ……………………………………………………………………... 67
5.3.2 Vergleich von WC-CoCr Schichten mit anderen Schichtsystemen ………….. 70
5.4 Korrosionsbeständigkeit der Spritzschichten …………………………………… 72
5.4.1 Kesternich-Test ………………………………………………………….…… 72
5.4.2 Salzsprühnebel-Test ………………………………………………………….. 76
5.5 Thermische Eigenschaften der Spritzschichten ………………………………… 79
5.5.1 Simulation des Poreneinflusses auf die Wärmeleitfähigkeit von
WC-Co(Cr) Verbunden …………………………………………………......... 79
5.5.2 Spezifische Wärmekapazität und Wärmeausdehnungskoeffizient …………… 81
5.5.3 Temperaturleitfähigkeit ………………………………………………………. 83
5.5.3.1 WC-CoCr ……………………………………………………………… 84
5.5.3.2 Cr 3 C 2 -NiCr ……………………………………………………………. 90
5.5.3.3 Ni20Cr ……………………………………………………………….. 90
5.5.3.4 Ni5Al …………………………………………………………………. 91
5.5.3.5 Rostfreier Stahl 316 L …………………………………………….…… 91
5.5.3.6 Hartchrom ………………………………………………………….…. 93
5.5.4 Kontaktwiderstand …………………………………………………………… 93
6 Schlussfolgerungen ………………………………………………………………… 95
6.1 Wissenschaftlich technologischer Nutzen ………………………………………… 95
6.2 Wirtschaftlicher Nutzen, insbesondere für kmU ………………………………… 96
6.3 Neuigkeitsgehalt …………………………………………………………………… 96
6.4 Industrielle Anwendungsmöglichkeiten .................................................................. 97
VI

„Wärmedurchgang durch optimierte Schichtsysteme“
7 Publikationen ……………………………………………………………………… 98
7.1 Veröffentlichungen ………………………………………………………………. 98
7.2 Vorträge ………………………………………………………………………….. 99
8 Literatur ...................................................................................................................... 100
VII

Kapitel 1 Einleitung 1
1 Einleitung
Die Erkenntnis, dass die Geschwindigkeiten der Spritzpartikel einen großen Einfluss auf die
Schichteigenschaften ausüben, führte zur Entwicklung der Hochgeschwindigkeitsprozesse,
die sich im Laufe der Zeit etabliert haben und zunehmend an Bedeutung gewinnen. Hauptanwendungsgebiet
der HVOF-Verfahren ist die Herstellung von Verschleißschutzschichten auf
der Basis von Cermets.
In vielen Anwendungen tribologisch hoch beanspruchter Bauteiloberflächen finden galvanisch
abgeschiedene Hartchromschichten technische Anwendungen (z.B. Kolbenstangen für
Hydraulikzylinder, Glättzylinder in der Papierindustrie). Auf dem Sektor der Oberflächentechnik
besteht das Ziel, galvanisch abgeschiedene Hartchromschichten durch thermisch gespritzte
Schichtsysteme zu ersetzen.
Für den praktischen Anwendungsfall der Trockenwalze in der Papierindustrie übernimmt die
Oberfläche der Walze neben der Beständigkeit gegenüber korrosiver und verschleißender
Beanspruchung zusätzlich die Funktion das über die Walze ablaufende Papier zu trocknen.
Der konstruktive Aufbau der Trockenwalze ermöglicht die Wärmeenergie einer Wasserdampfströmung
auf die Walzenoberfläche zu übertragen. Die Qualität des erzeugten Papiers
hängt neben der Walzenoberflächenbeschaffenheit entscheidend von der Trocknungsleistung
der Walzen ab. Seitens der Papierindustrie besteht zum einen die Forderung nach verschleißund
korrosionsbeständigen Funktionsoberflächen der Trockenwalzen und zum anderen nach
einem guten Wärmedurchgang der Beschichtung.
Bedingt durch den Werkstoffverbund mit thermisch gespritzten Beschichtungen ergibt sich
eine Änderung des Wärmeübergangs zwischen Walzenkörper und Bauteiloberfläche. Die zur
Berechnung des Energieverbrauchs im praktischen Einsatz der Walzen notwendigen Informationen
über die Beschichtungen sind derzeit nicht verfügbar. Im Betriebsverhalten der beschichteten
Trockenwalzen bedingt dies neben dem veränderten Betriebsverhalten weitere
Verluste der Produktivität, da seitens der Anwender entsprechende Optimierungszyklen des
Heißdampfstroms in praktischen Versuchen vorgenommen werden.
Die für die Wettbewerbsfähigkeit erforderliche Bewertung thermisch gespritzter Schichtverbunde
im Vergleich zu galvanisch abgeschiedenen Beschichtungen hinsichtlich des Betriebsverhaltens
und des erforderlichen Energieverbrauchs im praktischen Einsatz sind nur bedingt
möglich und mit großen Fehlertoleranzen behaftet. Eine Korrelation der Prozessbedingungen
und der thermophysikalischen Eigenschaften in Abhängigkeit von den verwendeten Spritzzusatzwerkstoffen
ist bisher nicht zugänglich.

2
Kapitel 2
Problemstellung
2 Problemstellung
2.1 Motivation
Für viele technische Anwendungen ist der Wärmedurchgang der Bauteiloberflächen von entscheidender
Bedeutung. Hierbei kann die Oberflächenbeschichtung eine wärmedämmende
oder eine wärmeleitende Funktion erfüllen. Für auf Wärmedämmung ausgelegte Spritzschichten
liegen zahlreiche Daten zu thermophysikalischen Eigenschaften auf Grund von Untersuchungen
zu Turbinenschaufelapplikationen vor. Dagegen sind Daten zur Wärmeleitfähigkeit
von Verschleiß- und/oder Korrosionsschutzschichten nur für sehr wenige Beschichtungswerkstoffe
und -verfahren verfügbar. Insbesondere relativ neue Verfahren wie das Hochgeschwindigkeitsflammspritzen
haben bisher keine Berücksichtigung gefunden. Auch der Einfluss des
Spritzverfahrens auf den thermischen Kontaktwiderstand im Interface zwischen Beschichtung
und Substrat ist bisher nicht bekannt. Durch werkstoffwissenschaftliche Untersuchungen soll
für klein- und mittelständische Unternehmen die Möglichkeit geschaffen werden, thermisch
gespritzte Werkstoffverbunde hinsichtlich des Wärmeübergangs zu beurteilen. Die erweiterten
Kenntnisse werden es kmU ermöglichen, thermisch gespritzte Schichten neuen Anwendungsfeldern
zuzuführen.
2.2 Zielstellung
Im Rahmen des Forschungsvorhabens werden die folgenden wissenschaftlich-technischen
Ergebnisse angestrebt:
1. Bestimmung der Temperaturleitfähigkeit und der spezifischen Wärmekapazität sowie
des thermischen Kontaktwiderstands zwischen Beschichtung und Substrat für unterschiedliche
thermisch gespritzte Verschleiß- und Korrosionsschutzschichten
2. Vergleichende Untersuchungen in Abhängigkeit von Schichtmerkmalen, insbes. spezifische
Hartstoffoberfläche, Matrixzusammensetzung und Porosität
3. Vergleichende Untersuchungen in Abhängigkeit vom eingesetzten thermischen Spritzverfahren
sowie der Prozesscharakteristik
4. Untersuchungen zum simultanen Einfluss auf den Verschleiß- und/oder Korrosionswiderstand
für auf Wärmedurchgang optimierte Beschichtungen
Das Bestimmen thermophysikalischer Kenndaten (Punkt 1) von Spritzschichten macht ein
konstruktives Auslegen von mittels thermischen Spritzens beschichteten Bauteilen mit wärmeübertragender
Funktion auch unter energetischen Gesichtspunkten zugänglich. Damit wird
Konstrukteuren die Berücksichtigung von Spritzschichten erleichtert bzw. erst ermöglicht.

Kapitel 2 Problemstellung 3
Ausgehend von der Anwendung beschichteter Trockenwalzen in der Papierindustrie wird der
Schwerpunkt der Untersuchungen auf Verschleißschutzschichten des Typs WC-CoCr, die
mittels Hochgeschwindigkeitsflammspritzens hergestellt werden, gelegt. Darüber hinaus sollen
HVOF Cr 3 C 2 -Ni20Cr und APS Cr 2 O 3 Schichten sowie für eine Analyse des Einflusses der
Matrixzusammensetzung (Punkt 2) WC-Co Schichten berücksichtigt werden. Die Analysen
decken einen Bereich der Anwendungstemperaturen zwischen RT und 600 °C ab. Vergleichend
werden die Eigenschaften von Hartchromschichten, die industriell ebenfalls häufig für
den kombinierten Verschleiß- und Korrosionsschutz Anwendung finden, bestimmt.
Um den Einfluss der spezifischen Hartstoffoberfläche analysieren zu können (Punkt 2), werden
beispielhaft für WC-CoCr Pulver mit unterschiedlicher Größe der Karbidpartikel eingesetzt.
In Voruntersuchungen mit detaillierter Charakterisierung der Schichtmorphologie werden
geeignete Prozessführungen zum Einstellen unterschiedlicher Schichtmerkmale, insbesondere
der Porosität, ermittelt. Die Schichtmerkmale werden mit der Temperaturleitfähigkeit
korreliert (Punkt 2). Das HVOF Verfahren findet industriell mit unterschiedlichen Brenngasen
und Pulverinjektionsorten, so dass ein wesentlich unterschiedlicher thermischer Energieeintrag
in die Spritzpulver erfolgt, Anwendung. Ein mit Flüssigbrennstoff und ein mit Ethen
betriebenes System werden für vergleichende Untersuchungen eingesetzt (Punkt 3).
Neben Schichten für den Verschleißschutz werden auch Korrosionsschutz- und Haftvermittlerschichten,
die insbesondere beim Aufbringen dicker Verschleißschutzschichten Anwendung
finden können, untersucht. Ni5Al und Ni20Cr stellen wichtige Vertreter der Haftvermittlerschichten
dar und werden industriell mit unterschiedlichen Spritzverfahren verarbeitet.
Im Rahmen der Untersuchungen werden neben dem HVOF Spritzen das Lichtbogen- und
Hochgeschwindigkeitsdrahtflammspritzen zur Schichtherstellung eingesetzt und die Auswirkungen
der charakteristischen Gefügeausbildung auf den Wärmeübergang untersucht (Punkt 1
und 3). Schließlich wird der häufig für den Korrosionsschutz verwendete CrNi-Stahl 316L in
die Untersuchungen einbezogen.
Für eine integrale ökonomische Optimierung von Bauteilen mit wärmeübertragender Funktion
bestimmt einerseits der Wärmeübergang die laufenden Kosten über den benötigten Energiebedarf
und andererseits die Verschleiß- und/oder Korrosionsbeständigkeit die Lebensdauer
des Bauteils. Um eine solche integrale Optimierung zugänglich zu machen, wird der Einfluss
der Optimierung von Schichtmerkmalen bezüglich des Wärmeübergangs auf die simultanen
Auswirkungen in Bezug auf die Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit ermittelt (Punkt 4).